Fuel cell comprises a cathode flow field plate, an anode flow field plate, and a proton exchange membrane made from a catalytic material contained in a proton exchange material
Document Number
DE Patent 10156845
Publication Date
2002-06-27
Link
Inventors
MC ELROY JAMES F [US]
Abstract
Abstract of
DE 10156845 (A1)
Fuel cell (150) comprises a cathode flow field plate (210); an anode flow field plate (220); and a proton exchange membrane (225) made from a catalytic material (250) contained in a proton exchange material (230). An Independent claim is also included for a process for operating a fuel cell. Preferred Features: The catalytic material is suitable for reacting hydrogen and oxygen to form water. The catalytic material is made from platinum in the form of discrete particles and present in an amount so that the electrical conductivity of the proton exchange membrane is the same as that of the proton exchange material.
Fuel cell comprises a cathode flow field plate, an anode flow field plate, and a proton exchange membrane made from a catalytic material contained in a proton exchange material
Inventor:MC ELROY JAMES F [US]
Applicant:PLUG POWER INC [US]
EC:H01M8/10B2; H01M4/86B; (+2)
IPC:H01M4/86; H01M4/92; H01M4/96; (+12)
Publication info:DE10156845 (A1) - 2002-06-27
2
FUEL CELL SYSTEM AND METHOD
Inventor:MC ELROY JAMES F
Applicant:PLUG POWER INC
EC:H01M8/10B2; H01M4/86B; (+2)
IPC:H01M4/86; H01M4/92; H01M4/96; (+15)
Publication info:JP2002198058 (A) - 2002-07-12
3
Fuel cell systems and methods
Inventor:MCELROY JAMES F [US]
Applicant:PLUG POWER INC [US]
EC:H01M8/10B2; H01M4/86B; (+2)
IPC:H01M4/86; H01M4/92; H01M4/96; (+14)
Publication info:US6630263 (B1) - 2003-10-07
List of citing documents
Claims
Claims of
DE 10156845 (A1)
1. Brennstoffzelle, aufweisend:
eine Kathoden-Strömungsfeldplatte;
eine Anoden-Strömungsfeldplatte; und
eine Protonen-Austausch-Membran, aufweisend:
ein katalytisches Material; und
ein Protonen-Austausch-Material,
wobei das katalytische Material in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das geeignet ist, die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung von Wasser zu katalysieren.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das aus der aus Metallen und Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei das katalytische Material Platin aufweist.
5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das katalytische Material in der Form von diskreten Partikeln ist.
6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das katalytische Material in einer Menge vorliegt, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Protonen- Austausch-Membran ungefähr gleich zu einer elektrischen Leitfähigkeit des Protonen-Austausch-Materials ist.
7. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Protonen-Austausch-Membran eine Dicke hat und die Protonen-Austausch-Membran ungefähr 0,0001 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der Protonen-Austausch-Membran bis ungefähr 0,010 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der Protonen-Austausch-Membran aufweist.
8. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei das Protonen-Austausch-Material ein perfluoriniertes sulfoniertes Säurenmaterial aufweist.
9. Brennstoffzellensystem aufweisend
eine erste Brennstoffzelle, aufweisend:
eine Kathoden-Strömungsfeldplatte;
eine Anoden-Strömungsfeldplatte; und
eine Protonen-Austausch-Membran, aufweisend:
ein katalytisches Material; und
ein Protonen-Austausch-Material,
wobei das katalytische Material in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet ist;
und
eine zweite Brennstoffzelle aufweisend:
eine Kathoden-Strömungsfeldplatte;
eine Anoden-Strömungsfeldplatte; und
eine Protonen-Austausch-Membran,
wobei die Kathoden-Strömungsfeldplatten der ersten und der zweiten Brennstoffzelle in Flüssigkeitsverbindung und die Anoden-Strömungsfeldplatten der ersten und der zweiten Brennstoffzelle in Flüssigkeitsverbindung stehen.
10. Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das geeignet ist, die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung von Wasser zu katalysieren.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das aus der aus Metallen und Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei das katalytische Material Platin aufweist.
13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das katalytische Material in der Form von diskreten Partikeln ist.
14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das katalytische Material in einer Menge vorliegt, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Protonen- Austausch-Membran ungefähr gleichen zu einer elektrischen Leitfähigkeit des Protonen-Austausch-Materials ist.
15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Protonen-Austausch- Membran eine Dicke hat und die Protonen-Austausch-Membran ungefähr 0,0001 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der Protonen-Austausch-Membran bis ungefähr 0,010 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der Protonen-Austausch-Membran aufweist.
16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das Protonen-Austausch- Material ein perfluoriniertes sulfoniertes Säurenmaterial aufweist.
17. Membran-Elektroden-Anordnung, aufweisend:
ein kathodischer Katalysator mit einem ebenen Bereich;
ein anodischer Katalysator mit einem ebenen Bereich; und
eine Protonen-Austausch-Membran zwischen dem katholischen Katalysator und dem anodischen Katalysator,
wobei der ebene Bereich des katholischen Katalysators ungefähr 90% bis ungefähr 99, 9% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysators entspricht.
18. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 17, wobei der ebene Bereich der katholische Katalysator ungefähr 95% bis ungefähr 99, 5% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysator entspricht.
19. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 17, wobei der ebene Bereich der katholische Katalysator ungefähr 97% bis ungefähr 99% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysator entspricht.
20. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 17, wobei der ebene Bereich der katholische Katalysator ungefähr 98% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysator entspricht.
21. Membran-Elektroden-Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Protonen- Austausch-Membran ein katalytisches Material und ein Protonen-Austausch- Material aufweist, wobei das katalytische Material in dem Protonen- Austausch-Material beinhaltet ist.
22. Brennstoffzelle nach Anspruch 21, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das geeignet ist, die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung von Wasser zu katalysieren.
23. Brennstoffzelle, aufweisend:
eine Kathoden-Strömungsfeldplatte mit einem Einlassbereich;
eine Anoden-Strömungsfeldplatte mit einem Einlassbereich;
eine Protonen-Austausch-Membran zwischen den Kathoden- und Anoden- Strömungsfeldplatten;
ein kathodischer Katalysator zwischen der Protonen-Austausch-Membran und der Kathoden-Strömungsfeldplatte; und
ein anodischer Katalysator zwischen der Protonen-Austausch-Membran und der Anoden-Strömungsfeldplatte,
wobei ein aus der Gruppe ausgewählter Bereich, die aus einem Bereich in der Nähe des Einlassbereichs der Kathoden-Strömungsfeldplatte und einem Bereich in der Nähe des Einlassbereichs der Anoden- Strömungsfeldplatte besteht, im Wesentlichen frei von dem kathodischen Katalysator ist.
24. Brennstoffzelle nach Anspruch 23, wobei der Bereich in der Nähe des Einlassbereichs der Kathoden-Strömungsfeldplatte im Wesentlichen frei von dem kathodischen Katalysator und der Bereich in der Nähe des Einslassbereichs der Anoden-Strömungsfeldplatte im Wesentlichen frei von dem kathodischen Katalysator ist.
25. Brennstoffzelle nach Anspruch 23, wobei die Protonen-Austausch-Membran ein katalytisches Material und ein Protonen-Austausch-Material aufweist, wobei das katalytische Material in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet ist.
26. Brennstoffzelle nach Anspruch 25, wobei das katalytische Material ein Material aufweist, das geeignet ist, die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung von Wasser zu katalysieren.
27. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer Kathoden- Strömungsfeldplatte und einer Anoden-Strömungsfeldplatte, wobei das Verfahren umfasst:
Strömen eines ersten Gasgemischs durch die Kathoden- Strömungsfeldplatte, wobei das erste Gasgemisch ein Kathodengas aufweist; und
Strömen eines zweiten Gasgemischs durch die Anoden- Strömungsfeldplatte um eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle grösser als Null zu produzieren, wobei das zweite Gasgemisch ein Anodengas aufweist,
wobei zumindest ein Gasgemisch, das aus der aus dem ersten Gasgemisch und dem zweiten Gasgemisch bestehenden Gruppe ausgewählt ist, mit Wasser ungesättigt ist, und
wobei, nach Strömen des ersten und zweiten Gasgemisches für eine Zeitspanne die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zumindest ungefähr gleich einer Leistungsabgabe ist, die von der Brennstoffzelle produziert wird, wenn das Verfahren mit dem ersten und dem zweiten Gasgemisch durchgeführt wird, die mit Wasser gesättigt sind.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei sowohl das Kathoden-Gasgemisch als auch das Anoden-Gasgemisch mit Wasser ungesättigt sind.
29. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Zeitspanne ungefähr 20.000 Stunden beträgt.
30. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Zeitspanne ungefähr 50.000 Stunden beträgt.
31. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Zeitspanne ungefähr 100.000 Stunden beträgt.
32. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Protonen-Austausch-Membran zwischen den Kathoden- und Anoden- Strömungsfeldplatten beinhaltet, wobei die Protonen-Austausch-Membran aufweist:
ein Protonen-Austausch-Material; und
ein katalytisches Material,
wobei das katalytische Material in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet ist.
33. Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den Kathoden- und Anoden- Strömungsfeldplatten beinhaltet, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung aufweist:
einen kathodischen Katalysator mit einem ebenen Bereich;
einen anodischen Katalysator mit einem ebenen Bereich; und
eine Protonen-Austausch-Membran, zwischen dem kathodischen Katalysator und dem anodischen Katalysator,
wobei der ebene Bereich des kathodischen Katalysators ungefähr 90% bis ungefähr 99, 9% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysators beträgt.
34. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Kathoden- Strömungsfeldplatte und einer Anoden-Strömungsfeldplatte, wobei das Verfahren umfasst:
Strömen eines ersten Gasgemischs durch die Kathoden- Strömungsfeldplatte, wobei das erste Gasgemisch ein Kathodengas aufweist; und
Strömen eines zweiten Gasgemischs durch die Anoden- Strömungsfeldplatte zum Produzieren eines Produktertrags von Wasser mit einer Fluorkonzentration, wobei das zweite Gasgemisch ein Anodengas aufweist,
wobei zumindest ein Gas, das aus der aus dem ersten Gasgemisch und dem zweiten Gasgemisch bestehenden Gruppe ausgewählt ist, mit Wasser ungesättigt ist, und
wobei, nach Strömen des ersten und des zweiten Gasgemisches für eine Zeitspanne die Fluorkonzentration in dem Produktertrag von Wasser der Brennstoffzelle höchstens ungefähr einer gleichen Fluorkonzentration in einem Produktertrag von Wasser entspricht, der durch die Brennstoffzelle produziert wird, wenn das Verfahren mit dem ersten und dem zweiten Gasgemisch durchgeführt wird, die mit Wasser gesättigt sind.
35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei sowohl das Kathodengasgemisch als auch das Anodengasgemisch mit Wasser ungesättigt sind.
36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Zeitspanne ungefähr 20.000 Stunden beträgt.
37. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Zeitspanne ungefähr 50.000 Stunden beträgt.
38. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Zeitspanne ungefähr 100.000 Stunden beträgt.
39. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Protonen-Austausch-Membran zwischen der Kathoden- und der Anoden- Strömungsfeldplatte aufweist, wobei die Protonen-Austausch-Membran aufweist:
ein Protonen-Austausch-Material,
ein katalytisches Material,
wobei das katalytische Material in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet ist.
40. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Brennstoffzelle des Weiteren eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den Kathoden- und Anoden- Strömungsfeldplatten beinhaltet, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung aufweist:
einen kathodischen Katalysator mit einem ebenen Bereich;
einen anodischen Katalysator mit einem ebenen Bereich; und
eine Protonen-Austausch-Membran zwischen dem kathodischen Katalysator und dem anodischen Katalysator,
wobei der ebene Bereich des kathodischen Katalysators ungefähr 90% bis ungefähr 99,9% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysator beträgt.
Description
Description of
DE 10156845 (A1)
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und Verfahren, die eine relativ lange Benutzungslebensdauer aufweisen.
Hintergrund
Eine Brennstoffzelle kann chemische Energie in elektrische Energie durch Unterstützen einer chemischen Reaktion zwischen zwei Gasen konvertieren.
Ein Typ einer Brennstoffzelle beinhaltet eine Kathoden-Strömungsfeldplatte, eine Anoden-Strömungsfeldplatte, eine Membran-Elektroden-Anordnung, die zwischen der Kathoden-Strömungsfeldplatte und der Anoden-Strömungsfeldplatte angeordnet ist, sowie zwei Gasdiffusionsschichten, die zwischen der Kathoden- Strömungsfeldplatte und der Anoden-Strömungsfeldplatte angeordnet sind. Eine Brennstoffzelle kann ebenso eine oder mehrere Kühlmittel-Strömungsfeldplatten beinhalten, die in der Nähe des Äusseren der Anoden-Strömungsfeldplatte und/oder des Äusseren der Kathoden-Strömungsfeldplatte angeordnet sind.
Jede Strömungsfeldplatte weist einen Einlassbereich, einen Auslassbereich und lichte Kanäle auf, die den Einlassbereich mit dem Auslassbereich verbinden und einen Weg zum Verteilen der Gase zu der Membran-Elektroden-Anordnung zur Verfügung stellen.
Die Membran-Elektroden-Anordnung beinhaltet gewöhnlich ein festes Elektrolyt (zum Beispiel eine Protonen-Austausch-Membran, im Allgemeinen abgekürzt als PEM) zwischen einem ersten Katalysator und einem zweiten Katalysator. Eine Gasdiffusionsschicht befindet sich zwischen dem ersten Katalysator und der Anoden-Strömungsfeldplatte, und eine andere Gasdiffusionsschicht befindet sich zwischen dem zweiten Katalysator und der Kathoden-Strömungsfeldplatte.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle tritt eines der Gase (das Anodengas) in die Anoden-Strömungsfeldplatte in den Einlassbereich der Anoden- Strömungsfeldplatte ein und durchströmt die Kanäle der Anoden- Strömungsfeldplatte in Richtung zu dem Auslassbereich der Anoden- Strömungsfeldplatte. Das andere Gas (das Kathodengas) tritt in die Kathoden- Strömungsfeldplatte in den Einlassbereich der Kathoden-Strömungsfeldplatte ein und durchströmt die Kanäle der Kathoden-Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereichs der Kathoden-Strömungsfeldplatte.
Während das Anodengas durch die Kanäle der Anoden-Strömungsfeldplatte strömt, durchwandert das Anodengas die Anodengas-Diffusionsschicht und reagiert mit dem anodischen Katalysator. In gleicher Weise, wenn das Kathodengas durch die Kanäle der Kathoden-Strömungsfeldplatte strömt, durchwandert das Kathodengas die Kathodengas-Diffusionsschicht und reagiert mit dem kathodischen Katalysator.
Der anodische Katalysator reagiert mit dem Anodengas, um die Umwandlung des Anodengases in Reaktionszwischenprodukte zu katalysieren. Die Reaktionszwischenprodukte beinhalten Ionen und Elektronen. Der kathodische Katalysator reagiert mit dem Kathodengas und den Reaktionszwischenprodukten, um die Umwandlung des Kathodengases in das chemische Produkt der Brennstoffzellenreaktion zu katalysieren.
Das chemische Produkt der Brennstoffzellenreaktion durchströmt eine Gasdiffusionsschicht zu den Kanälen einer Strömungsplatte (zum Beispiel der Kathoden- Strömungsfeldplatte). Das chemische Produkt strömt dann entlang den Kanälen der Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereichs der Strömungsfeldplatte.
Das Elektrolyt stellt eine Grenze für das Strömen der Elektronen und Gase von einer Seite der Membran-Elektroden-Anordnung zu der anderen Seite der Membran-Elektroden-Anordnung zur Verfügung. Jedoch gestattet das Elektrolyt den ionischen Reaktionszwischenprodukten, von der Anodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung zu der Kathodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung zu fliessen.
Aus diesem Grund können die ionischen Reaktionszwischenprodukte von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung zur der Kathodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung fliessen, ohne die Brennstoffzelle zu verlassen. Im Gegensatz hierzu fliessen die Elektronen von der Anodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung zu der Kathodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung, wobei sie elektrisch eine äussere Ladung zwischen der Anoden- Strömungsfeldplatte und der Kathoden-Strömungsfeldplatte verbinden. Die äussere Ladung gestattet den Elektronen, von der Anodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung, durch die Anoden-Strömungsfeldplatte, infolge der Ladung und zu der Kathoden-Strömungsfeldplatte zu fliessen.
An der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung werden Elektronen gebildet, was anzeigt, dass das Anodengas während der Brennstoffzellenreaktion eine Oxidation durchführt. An der Kathodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung werden die Elektronen verbraucht, was anzeigt, dass das Kathodengas während der Brennstoffzellenreaktion eine Reduktion durchführt.
Zum Beispiel fliesst Wasserstoff durch die Anoden-Strömungsfeldplatte und durchläuft eine Oxidation, wenn Wasserstoff und Sauerstoff die in einer Brennstoffzelle verwendeten Gase sind. Der Sauerstoff strömt durch die Kathoden- Strömungsfeldplatte und durchläuft eine Reduktion. Die spezifischen, in der Brennstoffzelle auftretenden Reaktionen sind in den Gleichungen 1-3 wiedergegeben.
H2 -> 2H<+> + 2e<-> (1)
1/2 O2 + 2H<+> + 2e<->->H2O (2)
H2 + 1/2 O2 -> H2O (3)
Wie in Gleichung (1) gezeigt, bildet der Wasserstoff Protonen (H<+>) und Elektronen. Die Protonen strömen durch das Elektrolyt zur Kathodenseite der Membran- Elektroden-Anordnung, und die Elektronen fliessen von der Anodenseite der Membran-Elektroden-Anordnung zur Kathodenseite der Membran-Elektroden- Anordnung durch die äussere Ladung. Wie in Gleichung 2 gezeigt, reagieren die Elektronen und die Protonen mit dem Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Gleichung 3 zeigt die gesamte Brennstoffzellenreaktion.
Zusätzlich zur Bildung chemischer Produkte erzeugt die Brennstoffzellenreaktion Wärme. Eine oder mehrere Kühlmittel-Strömungsfeldplatten werden typischerweise verwendet, um die Wärme von der Brennstoffzelle abzuführen und deren Überhitzung zu verhindern.
Jede Kühlmittel-Strömungsfeldplatte weist einen Einlassbereich, einen Auslassbereich und Kanäle auf, die eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Einlassbereich der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte und dem Auslassbereich der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte zur Verfügung stellen. Ein Kühlmittel (z. B. flüssiges, deionisiertes Wasser oder andere Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit) tritt bei einer relativ geringen Temperatur an dem Einlassbereich in die Kühlmittel- Strömungsfeldplatte, strömt durch die Kanäle der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte in Richtung des Auslassbereichs der Kühlmittel-Strömungsfeldplatte und verlässt die Kühlmittel-Strömungsfeldplatte am Auslassbereich der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte. Während das Kühlmittel durch die Kanäle der Kühlmittel- Strömungsfeldplatte fliesst, absorbiert das Kühlmittel die in der Brennstoffzelle gebildete Wärme. Wenn das Kühlmittel die Kühlmittel-Strömungsfeldplatte verlässt, wird die Wärme, die von dem Kühlmittel absorbiert ist, aus der Brennstoffzelle entfernt.
Um die zur Verfügung stehende elektrische Energie zu erhöhen, können eine Vielzahl an Brennstoffzellen in Reihe angeordnet werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. In einem Brennstoffzellenstapel funktioniert eine Seite der Strömungsfeldplatte als Anoden-Strömungsfeldplatte für eine Brennstoffzelle, während die gegenüberliegende Seite der Strömungsfeldplatte als Kathoden- Strömungsfeldplatte in einer anderen Brennstoffzelle funktioniert. Auf diese Anordnung wird als bipolare Platte Bezug genommen. Der Stapel kann ebenso monopolare Platten beinhalten, wie beispielsweise eine Anoden-Kühlmittel- Strömungsfeldplatte mit einer Seite, die als Anoden-Strömungsfeldplatte dient, und einer anderen Seite, die als Kühlmittel-Strömungsfeldplatte dient. Beispielsweise können die lichten Kühlmittelkanäle einer Anoden-Kühlmittel- Strömungsfeldplatte und eine Kathoden-Kühlmittel-Strömungsfeldplatte zusammenpassen, um gemeinsame Kühlmittelkanäle zum Kühlen der benachbarten Strömungsfeldplatten, die Brennstoffzellen bilden, zu bilden.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und Verfahren, die eine relativ lange Benutzungslebensdauer aufweisen. In einigen Ausgestaltungen kann die relativ lange Benutzungslebensdauer erreicht werden, sogar wenn ein oder mehrere Reaktionsgasströme verwendet werden, die mit Wasser ungesättigt sind.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen eine Brennstoffzelle, die eine Kathoden-Strömungsfeldplatte, eine Anoden-Strömungsfeldplatte und eine Protonen-Austausch-Membran umfasst. Die Protonen-Austausch-Membran beinhaltet ein katalytisches Material und ein Protonen-Austausch-Material. Das katalytische Material ist in dem Protonen-Austausch-Material beinhaltet. In einigen Ausgestaltungen kann die Brennstoffzelle in einem System, wie in einem Brennstoffzellenstapel, der ein oder mehrere zusätzliche Brennstoffzellen aufweist, sein.
Das katalytische Material kann aus einem Material gebildet werden, das geeignet ist, die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Bildung von Wasser zu katalysieren. Das katalytische Material kann aus einem Metall oder einer Legierung, wie beispielsweise Platin oder einer Platin enthaltenden Legierung, gebildet sein. Das katalytische Material kann in der Form von diskreten Partikeln sein. Das katalytische Material kann in einer Menge vorliegen, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Protonen-Austausch-Membran ungefähr gleich zu einer elektrischen Leitfähigkeit des Protonen-Austausch-Materials ist. Die Protonen-Austausch- Membran kann ungefähr 0,0001 Milligramm bis ungefähr 0,010 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der Protonen-Austausch-Membran betragen. Das Protonen-Austausch-Material kann aus einem perfluorinierten sulfonierten Säurematerial, wie beispielsweise NAFION TM gebildet sein.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen eine Membran- Elektroden-Anordnung, die einen kathodischen Katalysator, einen anodischen Katalysator und eine Protonen-Austausch-Membran zwischen dem kathodischen Katalysator und dem anodischen Katalysator umfasst. Der ebene Bereich des kathodischen Katalysators ist von ungefähr 90% bis ungefähr 99,9% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysators (beispielsweise von ungefähr 95% bis ungefähr 99,5%, von ungefähr 97% bis ungefähr 99%, ungefähr 98%).
Die Protonen-Austausch-Membran kann aus einem Protonen-Austausch-Material gebildet werden, das ein katalytisches Material darin integriert aufweist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen eine Brennstoffzelle, die eine Kathoden-Strömungsfeldplatte, eine Anoden-Strömungsfeldplatte, eine Protonen-Austausch-Membran zwischen der Kathoden- und der Anoden- Strömungsfeldplatte, einen kathodischen Katalysator zwischen der Protonen- Austausch-Membran und der Kathoden-Strömungsfeldplatte, und einen anodischen Katalysator zwischen der Protonen-Austausch-Membran und der Anoden- Strömungsfeldplatte umfasst. Der Bereich in der Nähe des Einlassbereichs der Kathoden-Strömungsfeldplatte und/oder der Bereich in der Nähe des Einlassbereichs der Anoden-Strömungsfeldplatte ist im Wesentlichen frei von dem kathodischen Katalysator.
Die Protonen-Austausch-Membran kann aus einem Protonen-Austausch-Material gebildet werden, das ein katalytisches Material darin integriert aufweist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen eine Protonen- Austausch-Membran, die ein poröses, mit einem katalytischen Material imprägniertes Verstärkungsmaterial beinhaltet.
Die Protonen-Austausch-Membran kann des Weiteren ein zusätzliches katalytisches Material beinhalten, das innerhalb des porösen Verstärkungsmaterials des anderen Protonen-Austausch-Materials angeordnet ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine Kathoden- Strömungsfeldplatte und eine Anoden-Strömungsfeldplatte. Das Verfahren umfasst das Strömen eines Gasgemisches, das ein Kathodengas enthält, durch die Kathoden-Strömungsfeldplatte und das Strömen eines Gasgemisches, das ein Anodengas enthält, durch die Anoden-Strömungsfeldplatte, um eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle grösser als Null zu produzieren. Das Gasgemisch, das durch die Kathoden-Strömungsfeldplatte strömt, ist nicht mit Wasser gesättigt, und/oder das Gasgemisch, das durch die Anoden-Strömungsfeldplatte fliesst, ist nicht mit Wasser gesättigt. Nach Strömen der Gasgemische für eine Zeitspanne (beispielsweise zumindest ungefähr 20.000 Stunden, zumindest ungefähr 50.000 Stunden, zumindest ungefähr 100.000 Stunden) entspricht die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zumindest ungefähr der gleichen Leistungsabgabe, die von der Brennstoffzelle produziert wird, wenn das Verfahren mit dem ersten und dem zweiten Gasgemisch, die mit Wasser gesättigt sind, durchgeführt wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung im Allgemeinen ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle umfasst eine Kathoden- Strömungsfeldplatte und eine Anoden-Strömungsfeldplatte. Das Verfahren beinhaltet das Strömen eines Gasgemisches, das ein Kathodengas enthält, durch die Kathoden-Strömungsfeldplatte und das Strömen eines Gasgemisches, das ein Anodengas enthält, durch die Anoden-Strömungsfeldplatte, um eine Leistungsabgabe der Brennstoffzelle grösser als Null zu produzieren. Das Gasgemisch, das durch die Kathoden-Strömungsfeldplatte strömt, ist nicht mit Wasser gesättigt, und/oder das Gasgemisch, das durch die Anoden-Strömungsfeldplatte fliesst, ist nicht mit Wasser gesättigt. Nach dem Strömen der Gasgemische für eine Zeitspanne (beispielsweise zumindest ungefähr 20.000 Stunden, zumindest ungefähr 50.000 Stunden, zumindest ungefähr 100.000 Stunden) ist die Fluorkonzentration des Produktertrags an Wasser der Brennstoffzelle kleiner oder ungefähr gleich der Fluorkonzentration des Produktertrags an Wasser in der Brennstoffzelle, wenn das Verfahren mit dem ersten und dem zweiten Gasgemisch, die mit Wasser gesättigt sind, durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Brennstoffzelle;
Fig. 2 ist eine ebene Darstellung der Protonen-Austausch-Membran;
Fig. 3 ist ein Schema des Brennstoffzellensystems; und
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der Protonen-Austausch-Membran.
Detaillierte Beschreibung
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und Verfahren, die eine relativ lange Benutzungslebensdauer aufweisen.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer PEM-Brennstoffzelle 150, die eine Kathoden-Strömungsfeldplatte 210, eine Anoden-Strömungsfeldplatte 220 und eine Membran-Elektroden-Anordnung 225 umfasst. Die Membran-Elektroden- Anordnung 225 beinhaltet eine PEM 230, einen anodischen Katalysator 240, einen kathodischen Katalysator 250, eine Anodengasdiffusionsschicht 260 und eine Kathodengasdiffusionsschicht 270. Die Kathoden-Strömungsfeldplatte 210 weist Kanäle 216 und die Anoden-Strömungsfeldplatte 220 weist Kanäle 226 auf.
PEM 230 ist aus einem Protonen-Austauschmaterial gebildet, das ein katalytisches Material integriert aufweist (z. B. das katalytische Material ist zumindest teilweise oder insgesamt innerhalb des Protonen-Austausch-Materials angeordnet). Beispiele von Protonen-Austausch-Materialien beinhalten perfluorinierte sulfonierte Säurematerialien (beispielsweise NAFION TM , erhältlich bei E.I: duPont de Nemours&Co. in Wilmington, DE) und Perfluorkarbon-Materialien (FLEMION TM , erhältlich bei Asahi Glass Corporation in Tokio, Japan). Im Allgemeinen ist das katalytische Material in der PEM 230 geeignet, die Reaktion von bestimmtem wasserbildenden Zwischenprodukten, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid und/oder Hydroxylradikalen, zu Wasser zu katalysieren. In einigen Ausgestaltungen ist das katalytische Material ein Metall oder eine Legierung, wie beispielsweise Platin oder eine Platin enthaltende Legierung.
Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass bestimmte Wasser bildende Zwischenprodukte, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid und/oder Hydroxylradikale, die Betriebslebensdauer von Protonen-Austausch-Materialien durch Oxidieren der Materialien herabsetzen können. Es wird weiter angenommen, dass das in der PEM 230 vorhandene katalytische Material die Betriebslebensdauer der PEM 230 durch Katalysieren der Reaktion dieser Wasser bildenden Zwischenprodukte zur Durchführung von anderen Reaktionen als Oxidationsreaktionen des Protonen-Austausch-Materials verlängern kann und dabei die Tendenz dieser Zwischenprodukte herabsetzt, das in der PEM 230 vorhandene Protonen-Austausch-Material zu oxidieren.
Im Allgemeinen sollte die Menge des in der PEM 230 integrierten katalytischen Materials nicht ausreichend sein, um einen wesentlichen Anstieg in der elektrischen Leitfähigkeit der PEM 230 im Vergleich zur elektrische Leitfähigkeit des Protonen-Austausch-Materials zu erhöhen, so dass die PEM 230 keinen Pfad mit geringem elektrischem Widerstand zwischen der Kathoden-Strömungsfeldplatte 210 und der Anoden-Strömungsfeldplatte 220 hervorruft (beispielsweise ist die elektrische Leitfähigkeit der PEM 230 im Wesentlichen gleich zu der elektrischen Leitfähigkeit des Protonen-Austausch-Materials).
In einigen Ausgestaltungen enthält die PEM 230 ungefähr 0,0001 bis ungefähr 0,010 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der PEM 230 (beispielsweise von ungefähr 0,001 bis 0,03 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der PEM 230, ungefähr 0,005 Milligramm pro Quadratzentimeter des katalytischen Materials pro Mikrometer Dicke der PEM 230).
In einigen Ausgestaltungen liegt das katalytische Material in der PEM 230 in der Form von diskreten Partikeln vor. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Verwendung diskreter Partikel des katalytischen Materials im Protonen-Austausch-Material die Bildung von Pfaden mit relativ geringem elektrischen Widerstand durch die PEM 230 hemmt, wodurch die Wahrscheinlichkeit herabgesetzt wird, dass die PEM 230 einen Pfad mit relativ geringem elektrischen Widerstand zwischen der Kathoden-Strömungsfeldplatte 210 und der Anoden-Strömungsfeldplatte 220 ausbildet, während es dem in der PEM 230 vorhandenen katalytischen Material noch gestattet ist, die Reaktion von bestimmten Wasser bildenden Zwischenprodukten zu Wasser zu katalysieren.
In einer Ausgestaltung ist die PEM 230 aus NAFION TM gebildet, das darin integriert ungefähr 0,05 Milligramm diskreter Platinpartikel pro Quadratzentimeter pro Mikrometer Dicke der PEM 230 aufweist.
Fig. 2 ist eine ebene Darstellung der PEM 230, die den ebenen Bereich des kathodischen Katalysators 250 auf dem ebenen Bereich der PEM 230 zeigt. Fig. 2 zeigt ebenso die Projektion des ebenen Bereichs eines Einlasses 215 der Kathoden- Strömungsfeldplatte 210 und eines Einlasses 223 der Anoden-Strömungsfeldplatte 220 auf dem ebenen Bereich der PEM 230.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, liegt der kathodische Katalysator 250 nicht in dem Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223. Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Entfernen von im Wesentlichen allen kathodische Katalysatoren aus dem Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223 die Tendenz der Brennstoffzelle 150 herabsetzt, bestimmte Wasser bildende Zwischenprodukte zu bilden, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid und/oder Hydroxylradikale, im Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223. Es wird angenommen, dass diese Radikale an der Oxidation der PEM 230 teilhaben. Folglich wird angenommen, dass durch Herabsetzen der Tendenz dieser Zwischenprodukte, im Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223 die Tendenz der PEM 230 zu erzeugen, eine Oxidation im Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223 durchzuführen, ebenso herabgesetzt ist. Es wird angenommen, dass dies insbesondere wünschenswert sein kann, wenn eine Brennstoffzelle 150 unter bestimmten Bedingungen betrieben wird, wie beispielsweise, wenn ein oder mehrere Reaktionsgasströme mit Wasser ungesättigt sind, da angenommen wird, dass unter diesen Bedingungen die Bereiche der PEM 230 in der Nähe des Bereichs der Einlässe 215 und 223 eine relativ hohe Anfälligkeit für die Oxidation durch Wasser bildende Zwischenprodukte aufweisen kann.
Da die Brennstoffzelle 150 im Wesentlichen in dem Bereich in der Nähe der Einlässe 215 und 223 frei von dem kathodischen Katalysator 250 ist, ist der ebene Bereich des kathodischen Katalysators 250 geringer als der ebene Bereich des anodischen Katalysators 240. In einigen Ausgestaltungen beträgt der ebene Bereich des kathodischen Katalysators 250 ungefähr 90 bis ungefähr 99,9% des ebenen Bereichs des anodischen Katalysators 240 (beispielsweise von ungefähr 95 bis ungefähr 99,5%, ungefähr 97% bis ungefähr 99%, ungefähr 98%).
Fig. 3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100, das einen Brennstoffzellenstapel 160 mit PEM-Brennstoffzellen 150 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 100 weist ebenso einen Einlass-Kathodengasstrom 110, einen Auslass-Kathodengasstrom 120, einen Einlass-Anodengasstrom 130 und einen Auslass-Anodengasstrom 140 auf. Der Gasstrom 110 enthält ein Gasgemisch, das ein Kathodengas beinhaltet, und der Gasstrom 130 enthält ein Gas, das ein Anodengas beinhaltet. Das Gasgemisch, das im Gasstrom 110 enthalten ist, tritt bei Einlass 170 in den Brennstoffzellenstapel 160 ein, und das im Gasstrom 130 enthaltene Gasgemisch tritt bei Einlass 180 in den Brennstoffzellenstapel 160 ein. Nach Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 160 strömen die Kathoden- und Anodengase durch die Brennstoffzellen 150 und reagieren, um Leistung (z. B. Elektrizität) und Wasser zu produzieren. Nicht reagierte Gase und Produktarten verlassen den Brennstoffzellenstapel 160 in den Gasströmen 120 und 140 jeweils bei den Auslässen 190 und 195.
Da die Brennstoffzellen 150 ausgestaltet sind, so dass die PEM 230 einen relativ hohen Widerstand gegenüber Oxidation durch den Wasser bildenden Prozess aufweist, kann das in dem Kathodeneinlass-Strom 110 verwendete Gasgemisch mit Wasser ungesättigt sein, und/oder das Gasgemisch in dem Anodeneinlass- Strom 130 kann mit Wasser ungesättigt sein, und die Brennstoffzellen 150 können weiterhin relativ lange nützliche Lebensdauer vorzeigen.
Die relativ langen nützlichen Lebensdauern der Brennstoffzellen 150 können beispielsweise durch den Anteil das Fluors gemessen werden, das im Produktwasser in dem Gasgemisch im Gasstrom 140 enthalten ist, wenn das Brennstoffzellensystem 100 betrieben wird, wenn das Gasgemisch in den Gasströmen 110 und/oder 130 mit Wasser ungesättigt ist, im Vergleich zu dem enthaltenen Fluor und/oder durch das in dem Produktwasser in dem Gasgemisch in dem Gasstrom 140, wenn das Brennstoffzellensystem 100 betrieben wird, wenn das Gasgemisch in den Gasströmen 110 und 130 mit Wasser gesättigt ist. Vorzugsweise ist der relative Anteil an Wasser, der in dem Gasgemisch im Gasstrom 140 enthalten ist, geringer oder im Wesentlichen ungefähr gleich, nachdem das Brennstoffzellensystem 100 für eine ausgedehnte Zeitspanne betrieben wurde (beispielsweise ungefähr 20.000 Stunden, ungefähr 50.000 Stunden, ungefähr 100.000 Stunden).
Alternativ oder zusätzlich können die relativ langen nützlichen Lebensdauern der Brennstoffzellen 150 gemessen werden, beispielsweise durch den Anteil an Leistung (Elektrizität), die durch das Brennstoffzellensystem 100 produziert wird, wenn das System 100 betrieben wird, wenn das Gasgemisch in den Gasströmen 110 und/oder 130 mit Wasser ungesättigt ist, im Vergleich zu dem Anteil an Leistung (z. B. Elektrizität), die durch das System 100 produziert wird, wenn das System 100 betrieben wird, wenn das Gasgemisch in den Gasströmen 110 und 130 mit Wasser gesättigt ist. Vorzugsweise ist der relative Anteil der durch das System 100 produzierten Leistung (z. B. Elektrizität) grösser als oder im Wesentlichen ungefähr gleich, nachdem das Brennstoffzellensystem 100 für eine ausgedehnte Zeitspanne betrieben wurde (z. B. ungefähr 20.000 Stunden, ungefähr 50.000 Stunden, ungefähr 100.000 Stunden).
Während eine Ausgestaltung der PEM hier beschrieben wurde, die in einer Brennstoffzelle 150 verwendet werden kann, sind andere Ausgestaltungen der PEMs möglich. Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausgestaltung einer PEM 300, die in einer Brennstoffzelle 150 verwendet werden kann. Die PEM 300 weist eine poröse Schicht aus einem Verstärkungsmaterial (z. B. PTFE) 310 auf, ein katalytisches Material 320 und ein Protonen-Austausch-Membran- Material 340. Das Material 340 kann eines oder mehrere aus den vorhergehend beschriebenen Protonen-Austausch-Materialien sein, und das Material 320 kann eines oder mehrere der vorhergehende beschriebenen katalytischen Materialien sein.
Während bestimmte Ausgestaltungen der Erfindung hierin beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausgestaltungen beschränkt. Beispielsweise können in einigen Ausführungen die Brennstoffzelle(n) im Wesentlichen frei von einem anodischen Katalysator in diesen Bereichen sein, als vielmehr im Wesentlichen frei von einem kathodischen Katalysator im Bereich in der Nähe der Einlässe der Kathoden- und Anoden-Strömungsfeldplatten. In bestimmten Ausführungen können eine oder mehrere Brennstoffzellen im Wesentlichen frei von sowohl dem kathodischen Katalysator als auch dem anodischen Katalysator in dem Bereich in der Nähe der Einlässe der Kathoden- und Anoden-Strömungsfeldplatten sein. Darüber hinaus ist es in einigen Ausgestaltungen nur im Bereich von einem der Einlässe der Fall, dass die Brennstoffzelle(n) frei von dem kathodischen Katalysator und/oder dem anodischen Katalysator ist/sind. Andere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen.
